类水稻叶多尺度表面构筑与各向疏水性

采用高速电火花线切割加工方法与电刷镀工艺结合在铝合金表面构筑了类水稻叶多尺度层级结构表面.利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪表征表面的形貌结构、物相组成和润湿特性.结果表明,电刷镀获得的双尺度(微-纳米)微观结构对表面疏水性起关键作用,而高速电火花线切割加工获得的规则排列亚毫米级槽棱结构进一步放大了其平槽方向表面的疏水性能,使其未经任何化学修饰即获得优异的超疏水特性,接触角可以达到151°,且展现平槽和垂槽方向不同的疏水特性.这一研究将对各向异性功能材料结合超疏水材料的应用起到一定的指导意义.     

喷砂-电刷镀制备疏水耐腐蚀复合结构

采用喷砂-电刷镀相结合的方法,在碳钢表面制备出具有疏水耐腐蚀性能的微-纳复合结构.在最佳工艺参数下,获得接触角达到149.3°±2.5°的疏水表面.对喷砂-电刷镀相结合制备试样表面形貌、接触角以及耐腐蚀性进行表征.结果表明:喷砂与电刷镀结合工艺构筑的表面复合结构具有优异的疏水特性和良好的耐腐蚀性,且试样表面的平均腐蚀电流密度下降1~2个数量级,腐蚀电位也均有所提高.可见,通过在碳钢表面设计喷砂-电刷镀结合工艺构筑微-纳复合结构可以获得优异疏水耐腐蚀特性.     

超疏水表面形貌效应的研究进展

超疏水表面具有较好的疏水特性并且与水的接触角大于150°, 本文对超疏水表面疏水原因的理论分析和常用的制备方法做了较详细的总结, 介绍了微观形貌在疏水表面制备和减阻实验中的应用, 并提出目前有关超疏水表面仍未解决的问题, 最后对它的发展方向和前景进行了预测.     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.     

遗态材料:引发材料制备领域“蝴蝶效应”的新概念

<正>在刚刚召开的2014年度上海市科学技术奖励大会上,上海交通大学的张荻教授及其团队,以"基于生物分级精细结构的材料功能特性研究"项目,获得自然科学奖一等奖。具有分级结构的功能材料是材料科学领域中的一类新型材料。这种材料在微、纳米连续尺度范围内具有复杂的形态结构并呈现多层次分布,而其特有的微观形态结构也提供了独特功能特性的可能。传统物理化学的制备方法对多尺度和多层次的纳米材料存在一定的局限性。张荻教授团队     

射频等离子法PAN基预氧化纤维微观结构表征

采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描隧道显微镜(STM)、X射线衍射(XRD)等技术, 在微米、纳米及原子尺度下对射频等离子法制备的预氧化纤维微观结构进行了表征. 首先将聚丙烯腈(PAN)原丝样品在富氧溶剂中浸泡并用射频电场极化, 然后在射频氧等离子体环境中进行预氧化. 与未浸泡处理且采用常规电炉法制备的预氧化纤维比较, 微米尺度下的SEM形貌显示, 这种预氧化纤维表面微纤间的皱褶较浅且较整洁圆滑, 径向结构的不均匀性得到改善; XRD计算结果表明, 石墨化度和微晶尺寸有所增大, 层间距则有所减小. 同时, 在纳米尺度下的HRTEM图像中观察到等离子法制备的预氧化纤维(002)晶面的晶格条纹和晶格边缘; 在纳米及原子尺度下的STM图像中探测到组成微纤的超微纤丝具有相互缠结、呈轴向伸展的左螺旋结构, 其表面原子具有取向排列趋势.结果表明, 该等离子法可使原丝内外氧化趋于一致, 有利于改善预氧化纤维的径向结构差异.     

纳米尺度下润湿的分子动力学模拟

表界面润湿一直是表面科学领域的热门研究课题,了解润湿性和界面结构之间的相关性是研究表面润湿的关键.从经典分子动力学和从头算分子动力学出发,介绍了纳米尺度下的润湿,主要包括以下几方面:(1)原子尺度界面上的润湿;(2)润湿与晶格常数的关系;(3)具有地形表面的范德华(vdW)层状材料的润湿;(4)Wenzel态到Cassie态的转变机理研究;(5)氨基酸侧链疏水性的表征;(6)离子溶剂化的亲憎水性和传输选择性的微观机理.     

激光加工制备仿芦苇叶结构的超疏水表面

仿芦苇叶结构的超疏水表面在抗结冰、自清洁等领域有着重要的应用.但是,目前仍缺乏一种简单制备仿芦苇叶微纳米结构的方法.本文采用激光烧蚀手段制备基于聚二甲基硅氧烷的具有仿芦苇叶结构超疏水表面.激光烧蚀处理具有微光栅结构的聚二甲基硅氧烷,高能量激光作用时可以烧蚀出次级微纳结构,提高表面粗糙度,其浸润性各向异性明显,沿着垂直方向测量的接触角(～155°)比平行方向测量的接触角(～150°)大,达到超疏水,且沿着垂直方向测量的滚动角(～3°)比平行方向测量的接触角(～12°)小.本方法为激光制备仿生结构超疏水表面提供了新思路.     

倾斜超疏水管外滴状冷凝液滴特性的可视化

含不凝气的混合蒸汽冷凝广泛存在于化工、石油、电力和海水淡化等领域.在空气环境下超疏水表面具有较大的接触角,有可能实现冷凝强化传热的目的.但在纯蒸汽冷凝环境中,液滴会完全润湿超疏水表面的微纳结构,使表面的超疏水性"失效".而在含不凝气的混合蒸汽冷凝过程中,若不凝气充满超疏水表面的微纳结构,液滴呈Cassie或过渡态润湿模式,保持或部分保持表面的超疏水特性.对于倾斜表面,冷凝液滴的脱落直径和冲刷周期都会发生变化,进而影响冷凝传热.因此,深入认识混合蒸汽在不同倾斜角的超疏水竖管表面上的冷凝特性,分析液滴的运动特性,对探究冷凝机理和研发先进强化传热技术有重要意义.本文利用氧化刻蚀-自组装的方法制备了紫铜管超疏水表面,系统地研究了不同倾斜角度时混合蒸汽冷凝过程中液滴的接触角滞后、临界脱落直径以及冲刷周期,并与纯蒸汽、疏水表面的情况进行了对比.结果表明,在铜管顶部(沿铜管圆周方向),超疏水表面冷凝时接触角滞后小于疏水表面,而在铜管中部和底部超疏水表面的接触角滞后则较大;在超疏水表面条件下,液滴的脱落直径随着倾斜角度的增加而增大;冷凝液对超疏水表面的冲刷周期均大于疏水表面,且随着倾斜角增加,冲刷周期略有减小.     

硅纳米孔柱阵列及其表面铜沉积

采用水热腐蚀技术制备了硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array, Si-NPA), 并以此为衬底通过浸渍沉积制备出一种具有规则表面结构的铜/Si-NPA纳米复合薄膜(Cu/Si-NPA). 形貌和结构分析表明, Si-NPA是一个典型的硅微米/纳米结构复合体系, 它具有三个分明的结构层次, 即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔洞以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒. 研究发现, Cu/Si-NPA在形貌上保持了Si-NPA的柱状阵列特征, 薄膜中铜纳米颗粒的致密度随样品表面微区几何特征在柱顶区域和柱间低谷区域的不同而交替变化, 并形成一种准周期性结构. 上述实验现象被认为来源于铜原子的沉积速度对Si-NPA表面微区几何特征的选择性. Si-NPA可以成为合成具有某些特殊图案、结构和功能的金属/硅纳米复合体系的理想模板.     

天然纤维素物质模板制备功能纳米材料研究进展

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能,是构建人造功能纳米结构材料理想的模板物质.天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物,从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板而制备的有关人造材料独特的性质和功能.以纳米层级的精度和客体基质(无机和有机的)精确复制自然纤维素物质,能够最大限度地把其优异性能(如多孔隙结构和高内表面积)引入到相应的人造材料中去.应用表面溶胶-凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜,特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上;继之以合适的方法去除纤维素模板成分即得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料.本文简述了以此为基础设计和构建新型纳米结构材料(如金属氧化物及其复合纳米材料、聚合物纳米材料、硅和金属纳米材料等)的研究进展.以自然纤维素物质为模板或支架开发功能材料是一条获得新型功能纳米材料的简便、低成本和对环境友好的捷径.     

黄斑大蚊的喜湿性及其翅膀、腿表面的超疏水性

黄斑大蚊的翅膀、腿表面有很好的超疏水性, 水滴在其表面的静态接触角分别为150°,155°, 滚动角接近5°, 通过扫描电子显微镜观察发现, 在黄斑大蚊的翅膀、腿表面分布有大量呈规则排列的微纳米级复合凹槽、乳突, 复合结构及其表面的低表面能物质的协同作用使其表面具有良好的超疏水性, 这一特性使黄斑大蚊能在潮湿的环境中自由生存. 本文用 Cassie 理论对这种超疏水性进行了理论分析.     

利用表面等离子体的纳米天线耦合效应实现单分子拉曼偏振态的调控

在纳米尺度上对光的性质进行调控是一项具有挑战性的任务,不仅具有重要的基础研究意义,在光学器件的小型化方面也有着重要的实用价值.光的基本特性包括光强、光的传导和偏振.最近,在刚兴起的表面等离子体光子学(Plasmonics)这一国际前沿领域中,人们利用金属纳米结构的表面等离子体共振特性实现了在纳米尺度上对光强和光传导的操控.而光场的另一个重要性质是光的偏振态,实现纳米尺度上对光偏振态的调控,对单分子光谱、超灵敏探测、     

高分子表面有序微结构的构筑与调控

发展不依赖于传统刻蚀技术, 图案形状、尺寸及表面性质等可以动态调控的微图案化方法是当前国际上的研究热点. 高分子由于可以通过可控聚合调控其预定结构和尺寸, 并且具有易于加工和可以嵌入多种化学功能团等特点, 是制备不依赖于传统刻蚀技术的价廉、高产的微图案化的理想材料. 因而设计具有特定结构的高分子, 利用高分子的丰富相态结构和其在外场等作用下的性质, 发展高分子图案化方法、技术和原理具有重要意义. 本文总结了我们在基于自组装的“自下而上”的高分子微结构的构筑与调控方面取得的成果. 以均聚物和嵌段共聚物为研究对象, 采用纳米尺度的利用嵌段共聚物的微相分离、微米尺度的利用高分子薄膜的去润湿、冷凝的水蒸气液滴为模板以及高分子共混物薄膜的相分离等, 实现了不同尺度的高分子表面有序微结构的构筑与调控, 制备了从微米到纳米尺度的高分子有序微结构, 研究其自组装形成微、纳米图案的影响因素和机理, 掌握了调控图案形态、尺寸、表面性质的规律, 实现了稳定、有序的智能图案的动态设计.     

生物体的特殊性能与其微观形貌的关系

经过数十亿年的进化,自然界中的生物体有着与生存环境相适应的优异结构和特殊功能。笔者以具有超疏水 自清洁功能的荷叶表面、色彩斑斓可以吸引异性的雄孔雀羽毛,以及具有高强度高韧性等优异机械性能的贝壳珍珠 层这三种生物体表面和生物材料为例,展示了其微观形貌上的纳米结构以及这些纳米结构精密有序的组装方式,揭 示了这种微观结构与其在宏观上的特殊性能存在的必然联系。     

纳米结构及其自旋量子态调控的前沿进展

在纳米尺度上对物质的结构及其特性实行有效控制,是纳米器件研究中最重要的基础问题之一,其中认识和理解纳米结构单元,利用其结构特点可控制备人工纳米结构,从而调控其单分子自旋量子态,在纳米器件与量子调控中具有潜在的应用前景.     

蚊子腿表面多级微纳结构的超疏水特性

蚊子是一种能够在水面自由起落、行走、产卵而从不溺水的两栖昆虫.报道了蚊子腿表面的超疏水机理.单根蚊子后腿在水面上的静态承载力平均可达600μN,是整个蚊子体重的20多倍,而利用柔软细钢丝做成的外观形状、结构和尺寸与蚊子腿几乎一致的"钢丝腿",其水面承载力仅为85μN.扫描电子显微镜观察发现,蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片状的、尺寸在十微米级的空心鳞片覆盖,鳞片表面整齐排列了亚微米级的纵肋和纳米级的横筋结构蚊子腿部表面具有很强的疏水性,静态接触角约为153°.理论分析表明,蚊子腿表面上的微纳多级结构是其具有超疏水性和高可靠性表面承载力的根本原因.     

亚波长微纳光学的前沿研究(二)*

结合薄膜光学、导波光学和衍射光学制备的亚波长微纳结构器件,具备制作新型功能光学元件的潜力,是当今光学领域备受关注的研究热点。笔者介绍了亚波长导模共振结构应用于可调谐滤波器、彩色图像再现,及其周期性孔阵列结构制备的可调谐滤波器。这些研究展示了微纳米尺度的光学结构不同于宏观尺度的新特征,及其在新技术的广阔前景和科技创新中的重要作用。     

三维细微观结构的折叠和组装方法

近年来,尺度介于几十纳米到几百微米之间的三维(3D)细微观结构受到研究人员越来越多的关注.其原因在于,通过在先进材料中形成具有特定几何拓扑的三维细微构造,可以使得宏观材料在声、光、热、力、电学等方面表现出新的特性.这种具备天然材料中不存在的超常物理特性的材料也被称为"超材料".由于超材料在各类微系统技术中的巨大应用前景,三维细微观结构的设计与制备方法日益成为国内外的研究热点.目前除了3D打印这类较成熟的增材制造方法之外,应力控制的折叠方法和力学引导的组装方法也相继被提出,并因其在材料类型、几何拓扑、尺度范围等方面的优势,亦逐渐成为研究焦点.本文综述了这两类方法的最新进展,并对其设计原理、成形过程以及相关的理论和应用进行分析和总结.     

表面等离激元的调控研究与应用

随着对表面等离激元(SPPs)研究的日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步, 表面等离激元亚波长光学得到迅速的发展. 由于SPPs具有表面局域和近场增强等特性, 在纳米光子学、能源、传感探测、生命科学等领域均有重要应用. 基于SPPs的特点, 介绍了材料、结构、材料和结构的复合以及柱面矢量光场对SPPs的调控特性及其应用.